Crystal介紹20130522亮平課件

晶體振盪器介紹及應(yīng)用2013/5/22系統(tǒng)開發(fā)二部Light1Agenda1、晶振簡(jiǎn)單介紹2、晶振工作原理3、晶振的參數(shù)介紹4、晶振的測(cè)試方法5、晶振失效的可能原因6、晶振線路線路設(shè)計(jì)相關(guān)7、晶振layout需注意的地方8、相關(guān)案例2晶振簡(jiǎn)單介紹定義：一種能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所需的參考頻率的振盪器。

石英晶體振盪器是利用石英晶體（二氧化矽的結(jié)晶體，地殼中含14%，天然純度不高，一般都為人工合成）的壓電效應(yīng)製成的一種諧振器件。結(jié)構(gòu)：它的基本構(gòu)成大致是從一塊六角椎體的石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上塗敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的.為了防止Ag電極被氧化,一般在封裝時(shí)充N2.人工合成後機(jī)器製作出來的形狀3晶振簡(jiǎn)單介紹符號(hào)和等效電路：晶振的用途1．通用晶體振盪器，用於各種電路中，產(chǎn)生振盪頻率.2．時(shí)鐘脈衝用石英晶體諧振器，與其它元件配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈衝信號(hào)，廣泛用於數(shù)字電路中(如液晶顯示的行頻Gate控制).3．微處理器用石英晶體諧振器.4.許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用於通信網(wǎng)路、無線資料傳輸、高速數(shù)位資料傳輸?shù)?5．鐘錶用石英晶體振盪器，其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度，如果走時(shí)不準(zhǔn)，只要經(jīng)過耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度.當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器,稱為靜電電容,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)PF到幾十PF.當(dāng)晶體振盪時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效,一般L的值為幾十mH到幾百mH.5晶振簡(jiǎn)單介紹晶振的外觀優(yōu)點(diǎn)：ａ、穩(wěn)定性好，變化?。?、準(zhǔn)確性好，精度高ｃ、低功耗，激勵(lì)功率?。洹⒐潭ㄐ跃旧淼闹C振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精確,因此利用石英諧振器組成的振盪電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度.6晶振的工作原理1、壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形,反之,若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng),也就是說,壓電效應(yīng)能使壓電晶體的機(jī)械特性和電路信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)化，如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似.它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān).7晶振的工作原理3.起振條件：a、輸入輸出相位差為360度（或者360n，n∈|Z|）連接晶振的晶片端內(nèi)部是一個(gè)線性運(yùn)算放大器，將輸入進(jìn)行反向180度輸出，晶振處的負(fù)載電容電阻組成的網(wǎng)路提供另外180度的相移，整個(gè)環(huán)路的相移360度，滿足振盪的相位條件，同時(shí)還要求閉環(huán)增益大於等於1，晶體才正常工作。b、閉環(huán)增益大於1（引入了負(fù)反饋）9晶振的參數(shù)介紹晶振的參數(shù)

以下我以CoremainchipstbyCLK模塊的晶振X9001（TXC_48MHZ)為例,逐一介紹：10晶振的參數(shù)介紹1.

標(biāo)稱頻率（F0）：48.000MHz

該頻率特指晶體技術(shù)條件中規(guī)定的頻率,表示為MHz或KHz.2.

振動(dòng)模式：AT-基頻

一般有彎曲、伸縮、面切變、厚度切變，對(duì)於1M以上的小型晶體主要是厚度切變,常見的有AT切,BT切,CT切,DT切,FT切,XT切,YT切,它是以光軸(Z軸)為參考而命名,不同的切割方式諧振頻率也會(huì)不一樣，即使切割出來一樣的頻率，靜電容也不一樣（BT比AT小).由此分為基頻和泛音(3th/5th/7th…).常用的晶體諧振器主要是AT切和BT切,由於在技術(shù)上AT切的溫度頻差容易控制,故對(duì)於溫度頻差要求較嚴(yán)格的晶體多用AT切.fundamental<54MHZ,3th/5th/7th:基頻的3、5、7倍.AT-Cut:切割角度:35°13’(一般誤差在±3’,其誤差越小其溫度特性越好,)F(K)=1670(K)/t(mm)t為晶片之厚度,一般運(yùn)用較多,溫度特性較好,±30PPMBT-Cut:切割角度:49°F(K)=2560(K)/t(mm)t為晶片之厚度,AT-Cut用於基頻高頻,溫度特性差,±100PPM11晶振的參數(shù)介紹4.

調(diào)整頻差：（25℃±3℃）±15PPm

標(biāo)稱頻率在一定溫度(一般是25℃)下的允許偏差,表示為百分?jǐn)?shù)(%)或百萬分之幾(ppm),這個(gè)參數(shù)與石英晶片的切角密切相關(guān).5.

溫度頻差：±30PPm（-20℃-95℃）

在規(guī)定條件下，在工作溫度範(fàn)圍內(nèi)相對(duì)於基準(zhǔn)溫度（25℃±3℃）時(shí)工作頻率的允許偏差.6.

工作溫度：-20℃-95℃

石英晶體元器件在規(guī)定的誤差內(nèi)工作的溫度範(fàn)圍.7.

年老化率：±3PPm/year

晶體的諧振頻率和諧振阻抗隨時(shí)間的變化量,一般表達(dá)為最大值,單位是ppm/年.廠商會(huì)通過抽檢預(yù)老化來獲取這個(gè)參數(shù),所以不排除有比這個(gè)“水準(zhǔn)”差的,這個(gè)是允許的.頻率隨時(shí)間而變化的原因有很多,如:密封性和完整性、製造工藝、材料類型、工作溫度等等.13晶振的參數(shù)介紹8.

激勵(lì)功率：0.3mwMAX

晶體工作時(shí)所消耗功率的表徵值.最大功率是大多數(shù)功率器件在保證正常電氣參數(shù)的情況下,維持工作所消耗的功率,單位為mW或uW.一般情況激勵(lì)功率應(yīng)維持在確保石英晶體正常起振和穩(wěn)定振盪所需要的最低值,以避免年老化特性不良和晶體損傷.9.

等效串聯(lián)電阻(Rr)：60ohmMAX

晶體在諧振頻率下的電阻值,單位為歐姆.(sample提供)10.靜電容(C0)：3PFMAX

等效電路中與串聯(lián)臂並接的電容.(sample提供)11.絕緣電阻：500MegaohmMIN./DC100V

引線之間或引線和殼體之間的電阻.12.貯存溫度(TSTG)：-40℃-105℃

晶體在非工作狀態(tài)下保持標(biāo)準(zhǔn)特性的溫度範(fàn)圍.14晶振的測(cè)試方法1、）單體測(cè)試：

根椐晶振的特性,如溫度太高時(shí)電極易被破壞,晶片較薄,易斷等,一般做如下測(cè)試:a、自由跌落

將晶振從75cm高度引線向上跌落在3cm厚的硬質(zhì)木板上,連續(xù)3次,恢復(fù)1小時(shí)後測(cè)試,要求△F<10ppm.b、高溫儲(chǔ)存

將晶振置於105±2℃環(huán)境中保持48小時(shí),然後在室溫中恢復(fù)1小時(shí)後測(cè)試,要求△F<5ppm.c、耐焊接熱

將晶振於260℃±5℃的焊錫槽浸潤(rùn)10±0.5秒,浸潤(rùn)高度距引腳基部2mm，然後在室溫中恢復(fù)1小時(shí)後測(cè)試,要求△F<5ppm.

15晶振的測(cè)試方法b、DriveLevel1、按照下圖量測(cè)晶振所在線上的電流i.2、Drivelevel=i2*RL=i2*Rr(1+C0/CL)23、測(cè)試Spec:Drivelevel<MAXc、Tolerance1、頻率計(jì)多次（一般為10次）測(cè)量晶振的頻率f,求算數(shù)平均值fav.2、FrequencyTolerance(ppm)=（fav-F0）/F0×106ppm.注意：示波器本身的衰減電阻有電感的成份，對(duì)高頻波形有影響，因此在碳棒裏面需要加電容進(jìn)行補(bǔ)償，可以通過調(diào)節(jié)電容校正。理想的碳棒C=0/R=無窮大/帶寬=無窮大，10X衰減的碳棒輸入電容為16pF,1X為55pF到135PF17晶振失效的可能原因1.較差的製作工藝和品質(zhì)控制。例：焊點(diǎn)鬆動(dòng)、封裝漏氣、材料偶然故障。2.因老化嚴(yán)重且調(diào)整範(fàn)圍不足，頻偏超出標(biāo)準(zhǔn)範(fàn)圍。3.因老化影響，TCXO的頻率溫度特性退化。4.因溫度設(shè)置點(diǎn)的漂移，OCXO的頻率溫度特性退化。5.因頻繁的浸漬使振盪停止、頻偏超出標(biāo)準(zhǔn)範(fàn)圍、在某些溫度下變成噪音。6.因使用未清潔的晶片或電路元件參數(shù)選擇不當(dāng)使在電離輻射時(shí)，振盪停止、頻偏超出標(biāo)準(zhǔn)範(fàn)圍。

7.因振動(dòng)引起的雜訊使振盪器雜訊超標(biāo)。8.因表面加工不當(dāng)，衝擊時(shí)使晶片破裂。9.受外部信號(hào)干擾或者輸入異常不能使晶振工作在工作區(qū)域。18晶振的線路設(shè)計(jì)相關(guān)晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵(lì)功率，溫度特性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性。如何判斷晶振是否被過分驅(qū)動(dòng)？可用一臺(tái)示波器檢測(cè)OSC輸出腳，如果檢測(cè)一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時(shí)鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動(dòng)；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅(qū)動(dòng)。並聯(lián)電阻的作用：1、產(chǎn)生負(fù)反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū)，一般在M歐級(jí)，輸出端的電阻與負(fù)載電容組成網(wǎng)路，提供180度相移.2、起到限流的作用，防止反向器輸出對(duì)晶振過驅(qū)動(dòng)，損壞晶振.3、降低諧振阻抗，使諧振易啟動(dòng).19晶振layout注意的地方1.使晶振、外部電容器與IC之間的信號(hào)線盡可能保持最短。當(dāng)非常低的電流通過IC晶振振盪器時(shí)，如果線路太長(zhǎng)，會(huì)使它對(duì)EMC、ESD與串?dāng)_產(chǎn)生非常敏感的影響。而且長(zhǎng)線路還會(huì)給振盪器增加寄生電容。OSC在Layout時(shí)必須注意:在零件本體下方沿零件邊緣劃一60-80mils禁止區(qū)，禁止區(qū)須禁制所有層面的自動(dòng)鋪銅進(jìn)入禁止區(qū)內(nèi)，如下圖(一)2.GNDPlan禁止區(qū)劃法:在CLK的pin處留一缺口讓GND銅箔進(jìn)入零件下方3.CRYSTAL:線路上Y，C1，C2必需放置在ICpin旁邊，Trace越短越好，4.CRYSTAL零件本體下方禁止走線或是從pin中間穿線21相關(guān)案例1CoreTDK家Crystal高溫失效1、Issue：TVnofunctionafteragingtest2、分析a.CheckX9001peripheralcircuitdesignnoproblemb.CheckBOMandcrystalspecificationOKc.Wefind5pcsboardsintrialstage,andfollowFSKmethodtodoheatingtest10time/pcs,butcannotreproducethisissue.d.InDesignPhase,TXCcrystalevaluationtestwasdonetomakesureitcouldworknormallywithAtreyu.AttachmentistestreportfromFYTSI.e.WecheckedthereportagainandallitemstestresultwaspassBesides,HoweralsoreviewedtheoriginaltestreportprovidedbyTXCtoSONYasitrequestedindesignphase,testresultisPasstoo.f.FSKhadsent2pcsNGboardstoFYT,ETAisn’tsure,wewillarrangeSItestagainafterreceivingthem,butSIlabwillbeavailableafter7/23.22相關(guān)案例17.confirmdifferentprobewithdifferentinputcapacitancewillinfluencethetestresult,wehavetestX9001toimitateprobewithdifferentinputcapacitance.8.UseAgilent85024AtestNGboardfromFSK,resultisfailasbelow.23相關(guān)案例2Issue:FY13ODMBAEUcrystalworkabnormalAnalysis:1、ConfirmpartsbesidesXTALhavenomountedandmaterialissue.2、UsemultimetermeasuretheVoltageatXTALoutput,isastablelevel.3、UseOSCmeasurethewaveformofXTALoutput,crystalhaven’toscillation.4、Change